高级搜索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于向量投影的立体阵定位算法

孙大军 蔡珩 郑翠娥 程驰宇

孙大军, 蔡珩, 郑翠娥, 程驰宇. 基于向量投影的立体阵定位算法[J]. 电子与信息学报, 2024, 46(1): 31-40. doi: 10.11999/JEIT230344
引用本文: 孙大军, 蔡珩, 郑翠娥, 程驰宇. 基于向量投影的立体阵定位算法[J]. 电子与信息学报, 2024, 46(1): 31-40. doi: 10.11999/JEIT230344
SUN Dajun, CAI Heng, ZHENG Cuie, CHENG Chiyu. Stereo Array Positioning Algorithm Based on Vector Projection[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2024, 46(1): 31-40. doi: 10.11999/JEIT230344
Citation: SUN Dajun, CAI Heng, ZHENG Cuie, CHENG Chiyu. Stereo Array Positioning Algorithm Based on Vector Projection[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2024, 46(1): 31-40. doi: 10.11999/JEIT230344

基于向量投影的立体阵定位算法

doi: 10.11999/JEIT230344
基金项目: 崂山实验室科技创新项目(LSKJ202205100, LSKJ202205103),黑龙江省自然科学基金(YQ2019D003)
详细信息
    作者简介:

    孙大军:男,教授,研究方向为新体制深海水下高精度定位

    蔡珩:男,博士生,研究方向为水声定位与导航

    郑翠娥:女,教授,研究方向为高精度深海水声定位技术

    程驰宇:男,博士生,研究方向为水声定位与导航

    通讯作者:

    郑翠娥 zhengcuie@hrbeu.edu.cn

  • 中图分类号: TN929.3

Stereo Array Positioning Algorithm Based on Vector Projection

Funds: Science and Technology Innovation Project Funded By Laoshan Laboratory (LSKJ202205100, LSKJ202205103), The Natural Science Foundation of Heilongjiang Province (YQ2019D003)
  • 摘要: 传统适配立体阵型的超短基线定位算法计算量大、定位误差难以通过解析式精确表征。针对这些问题,该文提出基于向量投影的立体阵定位算法,从向量投影的角度构建立体阵中各基线向量与目标方位之间的观测方程,实现对传统算法定位模型的简化。该文算法通过求解线性方程组即可实现对目标方位的估计,时间复杂度远小于传统算法。此外,基于该文算法简洁的观测方程,给出了适配立体阵的定位误差精确解析表征。仿真结果表明,该文算法消耗的运算时间远小于传统算法,且定位误差变化规律与基于理论解析式得到的结论相符。湖试试验结果表明,该文算法的定位精度与传统算法几乎一致,且计算效率更高。
  • 图  1  基线与目标的方向向量

    图  2  4元立体阵

    图  3  水平方位角与俯仰角的定义

    图  4  算法运行时间对比

    图  5  声速误差

    图  6  时延误差

    图  7  不同水平方位角下定位误差

    图  8  不同俯仰角下定位误差

    图  9  不同水平孔径下定位误差

    图  10  不同垂直孔径下定位误差

    图  11  湖试所用立体阵阵型

    图  12  水面船航迹

    图  13  与标定结果差值的直方图

    表  1  算法均方根误差及运行时间统计结果

    算法名称北向均方根误差(m)东向均方根误差(m)天向均方根误差(m)运行时间(s)
    三角分解算法0.20480.22440.66000.1225
    向量投影算法0.17140.17520.65610.0131
    下载: 导出CSV
  • [1] 孙大军, 郑翠娥, 张居成, 等. 水声定位导航技术的发展与展望[J]. 中国科学院院刊, 2019, 34(3): 331–338. doi: 10.16418/j.issn.1000-3045.2019.03.011

    SUN Dajun, ZHENG Cuie, ZHANG Jucheng, et al. Development and prospect for underwater acoustic positioning and navigation technology[J]. Bulletin of Chinese Academy of Sciences, 2019, 34(3): 331–338. doi: 10.16418/j.issn.1000-3045.2019.03.011
    [2] 张涛, 夏茂栋, 张佳宇, 等. 水下导航定位技术综述[J]. 全球定位系统, 2022, 47(4): 1–16. doi: 10.12265/j.gnss.2022094

    ZHANG Tao, XIA Maodong, ZHANG Jiayu, et al. Review of underwater navigation and positioning technology[J]. GNSS World of China, 2022, 47(4): 1–16. doi: 10.12265/j.gnss.2022094
    [3] 郭晓明, 田甜. 基于四元阵的超短基线便携式定位设备定向算法[J]. 水下无人系统学报, 2022, 30(6): 794–800. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0006

    GUO Xiaoming and TIAN Tian. Ultra short baseline direction-finding algorithm based on quaternion stereo array for portable positioning equipment[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2022, 30(6): 794–800. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0006
    [4] 张晓飞, 辛明真, 隋海琛, 等. 基于交互式多模型卡尔曼滤波的AUV超短基线跟踪算法[J]. 水下无人系统学报, 2022, 30(1): 29–36. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.01.004

    ZHANG Xiaofei, XIN Mingzhen, SUI Haichen, et al. AUV ultra-short baseline tracking algorithm based on interactive multi-model Kalman filter[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2022, 30(1): 29–36. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.01.004
    [5] 李璇, 解禹. 水下定位导航系统展望[J]. 无人系统技术, 2022, 5(3): 79–86. doi: 10.19942/j.issn.2096-5915.2022.3.029

    LI Xuan and XIE Yu. Envision to the development of underwater position and navigation systems[J]. Unmanned Systems Technology, 2022, 5(3): 79–86. doi: 10.19942/j.issn.2096-5915.2022.3.029
    [6] iXblue. USBL solution[EB/OL]. https://www.ixblue.com/maritime/subsea-positioning/usbl-solutions/, 2023.
    [7] Sonardyne. HPT 5000/7000[EB/OL]. https://www.sonardyne.com/products/hpt-5000-and-7000-usbl-positioning-transceiver/, 2023.
    [8] Kongsberg. CPAP - ROV positioning in long base line transponder array[EB/OL]. https://www.kongsberg.com/maritime/products/Acoustics-Positioning-and-Communication/transponders/cPAP, 2023.
    [9] 刘德铸, 郭晓明, 朱琳, 等. 一种微小型等边三元阵的超短基线定位方法[J]. 电声技术, 2022, 46(2): 93–97,106. doi: 10.16311/j.audioe.2022.02.023

    LIU Dezhu, GUO Xiaoming, ZHU Lin, et al. An ultra-short baseline location method based on miniature equilateral ternary array[J]. Audio Engineering, 2022, 46(2): 93–97,106. doi: 10.16311/j.audioe.2022.02.023
    [10] 李伟嘉, 王振杰, 孙振, 等. 基于深度约束的超短基线声速改正方法[J]. 导航定位学报, 2022, 10(5): 40–45. doi: 10.3969/j.issn.2095-4999.2022.05.006

    LI Weijia, WANG Zhenjie, SUN Zhen, et al. An USBL sound velocity correction method based on depth constraint[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2022, 10(5): 40–45. doi: 10.3969/j.issn.2095-4999.2022.05.006
    [11] LI Xiang, LIU Xin, QU Long, et al. Three-dimensional ultra-short base line based underwater acoustical localization utilizing modified newton algorithm[J]. IEEE Access, 2021, 9: 80671–80681. doi: 10.1109/ACCESS.2021.3085304
    [12] 郑恩明, 陈新华, 孙长瑜, 等. 一种四元超短基线阵实现高精度定位[J]. 应用声学, 2013, 32(1): 15–22. doi: 10.11684/j.issn.1000-310X.2013.01.003

    ZHENG Enming, CHEN Xinhua, SUN Changyu, et al. An innovation four-element array to achieve high-precision positioning of the Ultra-short baseline[J]. Journal of Applied Acoustics, 2013, 32(1): 15–22. doi: 10.11684/j.issn.1000-310X.2013.01.003
    [13] 郑翠娥, 李琪, 孙大军, 等. 一种超短基线定位系统阵型的改进方法[J]. 中国海洋大学学报, 2009, 39(3): 505–508. doi: 10.3969/j.issn.1672-5174.2009.03.030

    ZHENG Cuie, LI Qi, SUN Dajun, et al. An improved measurement method for array design of USBL[J]. Periodical of Ocean University of China, 2009, 39(3): 505–508. doi: 10.3969/j.issn.1672-5174.2009.03.030
    [14] DING Jie, SUN Dajun, and ZHENG Cuie. Underwater acoustic localization approach to an arbitrary distributed multi-element array[C]. OCEANS 2015 - MTS/IEEE Washington, USA, 2015: 1–5.
    [15] WANG Wei, ZHU Min, and YANG Bo. Positioning combination method of USBL using four-element stereo array[J]. Sensors, 2021, 21(22): 7722. doi: 10.3390/s21227722
    [16] ARKHIPOV M. Utilizing Johnson solids for designing multielement USBL systems[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2016, 41(4): 783–793. doi: 10.1109/JOE.2016.2540758
    [17] 田坦. 声呐技术[M]. 2版. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社, 2010: 46–48.

    TIAN Tan. Sonar Technology[M]. 2nd ed. Harbin: Harbin Engineering University Press, 2010: 46–48.
    [18] CORMEN T H, LEISERSON C E, RIVEST R L, et al. Introduction to Algorithms[M]. 3rd ed. Cambridge: The MIT Press, 2009: 813–832.
    [19] SUN Dajun, DING Jie, ZHENG Cuie, et al. Array geometry calibration for underwater compact arrays[J]. Applied Acoustics, 2019, 145: 374–384. doi: 10.1016/j.apacoust.2018.10.004
    [20] LIU Yixu, LU Xiushan, XUE Shuqiang, et al. A new underwater positioning model based on average sound speed[J]. The Journal of Navigation, 2021, 74(5): 1009–1025. doi: 10.1017/S0373463321000400
  • 加载中
图(13) / 表(1)
计量
  • 文章访问数:  427
  • HTML全文浏览量:  137
  • PDF下载量:  121
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2023-04-27
  • 修回日期:  2023-07-17
  • 网络出版日期:  2023-07-19
  • 刊出日期:  2024-01-17

目录

    /

    返回文章
    返回